Wyniki wyszukiwania - BazTech

1

Kwantowa Europa, kwantowa Polska

Romaniuk Ryszard

Przegląd Telekomunikacyjny + Wiadomości Telekomunikacyjne

|

2023

|

nr 2

20--30

PL

Informacyjne Technologie Kwantowe ITK obejmują komputing kwantowy, telekomunikację kwantową, oraz metrologię kwantową i synchronizację. Obszary te są ściśle powiązane ze sobą, gdyż bazują na jednym wspólnym fundamencie zjawisk kwantowych. Kwantowy kanał informacyjny i proces transmisji w nim informacji klasycznej i kwantowej jest rodzajem operacji kwantowej, analogicznej do tej która jest wykonywana w systemach komputingu kwantowego. W obu przypadkach fundamentem są zasoby kwantowe. Operacje kwantowe w warunkach rzeczywistych podlegają zakłóceniom wynikłym z istnienia wybiórczych kanałów dekoherencji i sprzężenia świata kwantowego z termodynamicznym środowiskiem makro. Stąd, tak chętnie techniki kwantowe korzystają z fotonów, ponieważ są one stosunkowo odporne na dekoherencję. Jedną z najbardziej obiecujących opcji budowy homogenicznych systemów kwantowych obejmujących komputing i teleinformatykę stanowi fotonika kwantowa, odmienna od fotoniki klasycznej. Nie jest to jednak obecnie metoda najprostsza. Na drodze realizacji takiego homogenicznego systemu konieczne są bada- nia, testy, innowacje i budowa funkcjonalnych urządzeń, systemów i aplikacji zapewniających odpowiedni poziom cyberbezpieczeństwa kwantowego. Przestawienie opcji rozwoju telekomunikacji i komputingu na kwanty wymaga koordynacji na poziomie globalnym, tutaj mówimy o poziomie europejskim, dużych programów badawczych, projektów wspomagających kluczowe kierunki rozwojowe, współdziałania z inicjatywami krajowymi i biznesowymi.

EN

Quantum Information Technologies QIT include quantum computing, quantum telecommunications, quantum metrology and synchronization. These areas are closely related to each other because they are based on one common foundation of quantum phenomena. The quantum information channel and the process of transmission of classical and quantum information in it is a kind of quantum operation, analogous to the one performed in quantum computing systems. In both cases, quantum resources are the foundation. Quantum operations in real conditions are subject to disturbances resulting from the existence of selective decoherence channels and the coupling of the quantum world with the thermodynamic macro environment. Hence, quantum techniques are so eager to use photons, because they are relatively resistant to decoherence. One of the most promising options for building homogeneous quantum systems involving computing and QIT is quantum photonics, which is different from classical photon- ics. However, this is currently not the simplest method. On the way to the implementation of such a homogeneous system, research, tests, innovations and the construction of functional devices, systems and applications ensuring an appropriate level of quantum cybersecurity are necessary. Switching telecommunications and computing development options to quanta requires coordination at the global level, here we are talking about the European level, large research programs, projects supporting key development directions, cooperation with national and business initiatives.

2

Kudit fotonowy

Romaniuk Ryszard

Przegląd Telekomunikacyjny + Wiadomości Telekomunikacyjne

|

2023

|

nr 3

13--19

PL

W swobodnej przestrzeni foton posiada dwa spinowe stopnie swobody, co oznacza że jest idealnym kubitem lotnym. Ze względu na charakter oddziaływania fotonu z materią źródła, modulatora i detektora, foton może teoretycznie łatwo przekazywać stan kwantowy kubitowi stacjonarnemu. Co umożliwia konkatenację kanału kwantowego. Kudit fotonowy jest oczywiście obszarem badań podstawowych i aplikacyjnych w dziedzinie nauki o fotonie (photon science), a w obszarze jego funkcjonalizacji w telekomunikacji i komputingu jest istotnym fragmentem inżynierii fotonu i nową gałęzią fotoniki. Inżynieria fotonu, dodając fotonowi dodatkowe stopnie swobody, czyni z niego kudit. Kudit fotonowy, posiadając wszystkie zalety fotonu, staje się nośnikiem potężnej porcji informacji kwantowej, jeśli tylko uda się funkcjonalizować tak bardzo złożony system kwantowy i sposób kodowania w nim informacji. W uproszczeniu, najefektywniejszą metodą produkcji funkcjonalnego kuditu fotonowego jest posiadanie odpowiedniego źródła potrafiącego generować złożone formaty pola elektromagnetycznego zawierającego pojedynczy foton idealny, lub złożone formaty fotonu pojedynczego lub wielokrotnego, w tym ułamkowego. Bardzo szeroką tematykę badawczą nad kuditami fotonowymi przybliżamy w niniejszej pracy kilkoma przykładami kierunków prac, w sposób daleki od wyczerpującego.

EN

In free space, a photon has two spin degrees of freedom, which means that it is a perfect flying qubit. Due to the nature of the interaction of the photon with the matter of the source, modulator and detector, the photon can theoretically easily transfer a quantum state to a stationary qubit. Which makes it possible to concatenate a quantum channel. Photon qudit is of course an area of basic and application research in the field of photon science, and in the area of its functionalization in telecommunications and computing. It is an important part of photon engineering and a new branch of photonics. The engineering of the photon, by adding additional degrees of freedom to the photon, makes it a qudit. The photon qudit, having all the advantages of a photon, becomes a carrier of a huge portion of quantum information, if only such a complex quantum system and the way of coding information in it can be functionalized. In simple terms, the most effective method of producing a functional photon qudit is to have an appropriate source capable of generating complex formats of the electromagnetic field containing a single ideal photon, or complex formats of a single or multiple photon, including a fractional photon. The very broad research topic on photon qudits is presented here, in a far from exhaustive way, with several examples of directions of work.

3

Jednofotonowy kwantowy grzebień częstotliwości

Romaniuk Ryszard S.

Przegląd Telekomunikacyjny + Wiadomości Telekomunikacyjne

|

2023

|

nr 6

31--39

PL

Fotony są idealnymi nośnikami informacji kwantowej na dowolną odległość. Marzeniem jest budowa homogenicznego fotonicznego kwantowego systemu telekomunikacyjnego. W porównaniu z innymi technologiami fotony są kubitami i kuditami lotnymi. Nie ma dla nich innej opcji w sensie zdelokalizowanym. Do zagospodarowania ich właściwości w sensie zlokalizowanym konieczne są fotoniczne układy scalone PIC nowej generacji, dostatecznie gęste funkcjonalnie w domenie przestrzeni. Taka wymagana gęstość funkcjonalna na drodze przelotu fotonu w układzie scalonym musi być znacznie większa od tego czym dysponujemy obecnie. Należy zawsze pamiętać przy projektowaniu układów funkcjonalizacji fotonu, że dla niego nie ma znaczenia czy odległość wynosi mikrometr, milimetr czy kilometr, nawet parsek, a czas jest zawsze i niezmiennie zero w jego układzie. To układ zewnętrzny musimy dopasować do fotonu. Trudność jak zwykle polega na ograniczeniu gęstości upakowania funkcji. Przestrzeń jest najcenniejszym parametrem układu PIC. Każdy odcinek pasywny jest dużą stratą w tej przestrzeni. Kudit fotonowy załadowany informacją w domenach przestrzeni i częstotliwości jest systemem kwantowym o wielu stopniach swobody, wielopoziomowym, wielostronnym. Można go żartobliwie porównać do ciężarówki z przyczepami. Typów takich ciężarówek jest wiele. Jedną z nich jest jednofotonowy kwantowy grzebień częstotliwości. W terminologii telekomunikacyjnej wielopoziomowy i wielostronny kudit fotonowy jest rodzajem multi-hiper-datagramu. Właściwości tego super-datagramu potrafimy wykorzystać na razie jedynie w bardzo podstawowym zakresie.

EN

Photons are ideal carriers of quantum information over any distance. The dream is to build a homogeneous photonic quantum telecommunications system. Compared to other technologies, photons are flying qubits and qudits. There is no other option for them in a delocalized sense. To harvest their properties in a localized sense, a new generation of photonic integrated circuits PIC with sufficient functional density in space domain are necessary. The required functional density along the path of a photon in an integrated circuit must be much higher than what we currently have. One should always remember when designing photon functionalization systems that it does not matter whether the distance is a micrometre, a millimetre or a kilometre, even a parsec, and time is always and invariably zero in its system. We must match the external system to the photon. The difficulty, as usual, lies in limiting the packing density of functions. Space is the most valuable parameter of the PIC chip. Each passive section is a big loss in this space. A photon qudit loaded with information in the space and frequency domains is a quantum system with many degrees of freedom, multi-level, multi-partite. It can be jokingly compared to a truck with trailers. There are many types of such trucks. One of them is the single-photon quantum frequency comb. In telecommunications terminology, a multi-level and multi-partite photon qudit is a type of multi-hiper-datagram. For now, we can use the properties of this superb-datagram only to a very basic extent.

4

Europejskie Otwarte Inicjatywy Kwantowe

Romaniuk Ryszard

Przegląd Telekomunikacyjny + Wiadomości Telekomunikacyjne

|

2023

|

nr 1

5--19

PL

Informacyjne technologie kwantowe ITK obejmują, z przymiotnikiem kwantowy, komputing, telekomunikację, czujniki, metrologię i synchronizację. Realizacja wszystkich tych głównych komponentów ITK dotyczy takich warstw jak architektura, technologia, budowa sprzętu, oraz kompatybilnego wielowarstwowego oprogramowania. Komputing kwantowy to, w warstwach sprzętowych i programistycznych, opanowanie technologii i techniki manipulacji kubitami fizycznymi i logicznymi, gospodarka zasobami kwantowymi, budowa procesorów, urządzeń obliczeniowych, rozwój systemów pośredniego etapu NISQ oraz w przyszłości efektywna budowa uniwersalnych komputerów. Termin „uniwersalny komputer kwantowy” lub szerzej „uniwersalny system kwantowy” jest tutaj rozumiany w sensie realizowalnego stopnia odporności lub tolerancji błędów kwantowych w systemie zdolnym do transmisji zasobów kwantowych, realizacji wzorcowych algorytmów kwantowych, np. Shora czy Groovera, dających przewagę nad transmisją i algorytmami klasycznymi. Telekomunikacja kwantowa to kanały kwantowe, nadajniki i odbiorniki, transmisja, węzły, wzmacniaki, pamięci, zwielokrotnianie, multipleksowanie, sieci, architektury, oprogramowanie, bezpieczeństwo, itp. Czujniki to wykorzystanie zjawisk kwantowych, w tym także urządzeń kubitowych do budowy znacznie czulszych urządzeń pomiarowych lokalnych, sieciowych, systemów teledetekcji, itp. Synchronizacja to wykorzystanie zjawisk subatomowych do tworzenia nowej, znacznie dokładniejszej, skali czasu i praktyczne wykorzystanie tej skali dla celów ITK i klasycznej ICT. Ta ogromna przestrzeń badawcza i techniczna podlega intensywnym procesom zagospodarowania społecznego i standaryzacji. Temu celowi służą w Europie coraz liczniejsze lokalne projekty krajowe, ale także różnego rodzaju, duże, wysokonakładowe, istotne społecznie, otwarte inicjatywy kwantowe, realizowane równolegle do analogicznych inicjatyw podejmowanych w USA, Japonii i Chinach. W Polsce konieczna jest znajomość i aktywne uczestnictwo w tych inicjatywach.

EN

QIT quantum information technologies (or Quantum ICT) include, with the adjective quantum, computing, telecommunications, sensors, metrology and synchronization. The implementation of all three main components of QIT concerns such layers as architecture, technology, hardware construction, and compatible multi-layered software. Quantum computing is, in the hardware and programming layers, mastering the technology and techniques of manipulating physical and logical qubits, the management of quantum resources, the construction of processors, computing devices, the development of NISQ intermediate stage systems and, in the future, the effective construction of universal computers. The term “universal quantum computer” or more broadly “universal quantum system” is understood here in the sense of a realizable degree of resistance or quantum error tolerance in a system capable of transmitting quantum resources, implementing standard quantum algorithms, e.g. Shor or Groover, giving an advantage over classical transmission and algorithms. Quantum telecommunications are quantum channels, transmitters and receivers, transmission, nodes, repeaters, memories, multiplexing and demultiplexing, networks, architectures, software, security, etc. Sensors are the use of quantum phenomena, including qubit devices to build much more sensitive local measuring devices, networks systems, remote sensing systems, etc. Synchronization is the use of subatomic phenomena to create a new, much more accurate time scale and the practical use of this scale for QIT and classical ICT purposes. This huge research and technical space is subject to intensive processes of social development and standardization. This goal is realized in Europe by increasingly numerous local national projects, but also various types of large, high-investment, socially relevant, open quantum initiatives, carried out in parallel to similar initiatives undertaken in the USA, Japan and China. In Poland, it is necessary to know and participate actively in these initiatives.

5

Teleinformatyka kwantowa

Romaniuk Ryszard S.

Przegląd Telekomunikacyjny + Wiadomości Telekomunikacyjne

|

2022

|

nr 5

654--665

PL

Technologia kwantowa jest obszarem coraz skuteczniej funkcjonalizującym zjawiska mechaniki kwantowej, nie tylko jak to robiono dotychczas z sukcesem, czyli głównie poprzez inżynierię przerwy zabronionej. Epoka Quantum-1 dała nam układy scalone, lasery, czujniki, komputery, informatykę, telekomunikację światłowodową i satelitarną. W wielu obszarach Quantum-1 doszliśmy, lub za jakiś czas dojdziemy, do granic technologicznych. Świat naukowy zauważył możliwość dalszego, nie ewolucyjnego, ale skokowego rozwoju wymienionych technologii poprzez zmianę epoki na coś co dzisiaj nazywamy Quantum 2. Quantum 2 nie bazuje na przerwie zabronionej tak jak Quantum 1, ale usiłuje dowolnie manipulować pojedynczym izolowanym, a także grupą skorelowanych układów kwantowych. Za taką datę narodzin Quantum 2 uznaje się odkrycie przez Johna Stewarda Bella w 1964 roku nierówności i sformułowanie na jej podstawie prawa dotyczącego ścisłej granicy nielokalności kwantowej w układzie dwustronnym, lub jak dzisiaj mówimy dowodu splątania między Alicją i Bobem. J.S.Bell przedstawił możliwość prostej i ścisłej eksperymentalnej weryfikacji paradoksu EPR z roku 1934 poprzez statystyczny pomiar korelacji kwantowych. Nie od razu skonsumowano to genialne odkrycie. Pierwszy prosty eksperyment weryfikacyjny prawdziwość naruszenie nierówności wykonał zespół Johna Clausera w r. 1979 na podstawie wyprowadzonej w roku 1969 nierówności klasy Bella - CHSH. Pełny eksperyment, jednak bez unikania większości luk pomiarowych, wykonał po raz pierwszy zespół Alaina Aspecta w roku 1982. Zespół Antona Zeilingera wykonał wiele testów Bella także w skali kosmicznej, pokazał pierwszy teleportację kwantową i możliwość manipulacji splątaniem poprzez jego przełączanie między kubitami. Clauser, Aspect i Zeilinger otrzymali nagrodę Nobla z fizyki za te osiągnięcia w roku 2022. Stanowią one bramę wejściową do epoki Quantum 2 i podstawę rozwoju informacyjnych technologii kwantowych na fizycznej platformie fotoniki kwantowej.

EN

Quantum technology is an area that is increasingly functionalizing the phenomena of quantum mechanics, not only as it has been successfully done so far, i.e. mainly through the forbidden gap engineering. The Quantum-1 era gave us integrated circuits, lasers, sensors, computers, IT, fiber optic and satellite telecommunications. In many areas of Quantum-1, we have reached or will come to technological limits in some time. The scientific world has noticed the possibility of a further, not evolutionary, but leapfrog development of these technologies by changing the epoch to what we now call Quantum-2. Quantum-2 is not based on a forbidden band like Quantum-1, but tries to arbitrarily manipulate a single isolated as well as a group of correlated quantum systems. The birth date of Quantum-2 is considered to be the discovery by John Steward Bell in 1964 of inequality and the formulation of a law on the strict limit of quantum nonlocality in a bilateral system, or as we speak today, the proof of entanglement between Alice and Bob. J.S.Bell presented the possibility of a simple and strict experimental verification of the EPR paradox from 1934 through the statistical measurement of quantum correlations. This brilliant discovery was not immediately consumed. The first simple experiment to verify the truth of the inequality was performed by John Clauser’s team in 1979 on the basis of the Bell-class CHSH inequality derived in 1969. The full experiment, but without avoiding all measurement loopholes, was first performed by Alain Aspect’s team in 1982. Anton Zeilinger’s team performed many Bell tests also on a cosmic scale, showed the first quantum teleportation and the possibility of manipulating entanglement by switching between qubits. Clauser, Aspect and Zeilinger were awarded the Nobel Prize in Physics for these achievements in 2022. They are the gateway to the Quantum-2 era and the basis for the development of quantum information technologies on the physical quantum photonics platform.